Description des roches et des massifs rocheux

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Techniques de l’Ingénieur
l’expertise technique et scientifique de référence
c352
Description des roches et des massifs
rocheux
Date de publication : 10/11/1995
Par :
Jean-Louis DURVILLE
Ingénieur en Chef des Ponts et Chaussées, Chef de la Division Mécanique des Sols et Géologie de l'Ingénieur
au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
Hubert HÉRAUD
Ingénieur Géologue, Chef du Groupe Sols-Roches au Centre d'Études Techniques de l'Équipement,
Laboratoire Régional de Clermont-Ferrand
Ce dossier fait partie de la base documentaire
Géotechnique
dans le thème Réglementation. Ingénierie. Géotechnique
et dans l’univers Construction
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Description des roches
et des massifs rocheux
par
Jean-Louis DURVILLE
Ingénieur en Chef des Ponts et Chaussées
Chef de la Division Mécanique des Sols
et Géologie de l’Ingénieur au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
et
Hubert HÉRAUD
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C 352
11 - 1995
Ingénieur Géologue
Chef du Groupe Sols-Roches au Centre d’Études Techniques de l’Équipement,
Laboratoire Régional de Clermont-Ferrand
tiwekacontentpdf_c352
1.
1.1
1.2
Généralités.................................................................................................
Classification des roches.............................................................................
Caractères généraux du massif rocheux ...................................................
C 352 - 2
—
2
—
2
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
Description et caractérisation de la matrice rocheuse.................
Description pétrographique........................................................................
Essais d’identification..................................................................................
Propriétés mécaniques................................................................................
Propriétés diverses ......................................................................................
—
—
—
—
—
2
2
2
4
5
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
Description et propriétés des discontinuités ..................................
Description d’une discontinuité..................................................................
Étude structurale..........................................................................................
Propriétés mécaniques................................................................................
L’eau dans le massif ....................................................................................
—
—
—
—
—
6
6
7
7
7
4.
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
Méthodes de reconnaissance des massifs rocheux .......................
Levé géologique de détail...........................................................................
Photo-interprétation ....................................................................................
Sondages carottés .......................................................................................
Enregistrement des paramètres de foration .............................................
Diagraphie microsismique..........................................................................
Diagraphie de radioactivité naturelle.........................................................
Méthodes géophysiques.............................................................................
Essais mécaniques in situ ...........................................................................
Essai Lugeon ................................................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
8
8
9
10
10
11
11
11
12
12
5.
Conclusions ...............................................................................................
—
12
Pour en savoir plus...........................................................................................
Doc. C 352
a description précise du massif rocheux – celle des roches qui en constituent
la matrice et celle des discontinuités qui le traversent – est une phase indispensable de l’étude géomécanique d’un site, que le but soit la fondation d’un
barrage, le percement d’un tunnel, le creusement d’un déblai, ou tout autre
ouvrage en milieu rocheux. Cette description se fait sur le terrain et au laboratoire,
à l’aide d’observations et de mesures diverses.
L
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C 352 − 1
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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
_______________________________________________________________________________________
1. Généralités
Un massif rocheux tel que nous l’observons aujourd’hui résulte
d’une longue histoire géologique, souvent complexe, qui comprend
une phase de formation du matériau (dépôt et consolidation dans le
cas d’une roche sédimentaire, cristallisation dans le cas d’une roche
magmatique, etc.), une ou plusieurs phases de déformations tectoniques (avec formation de plis et de failles) et de transformations
métamorphiques (foliation, recristallisation), et enfin une période
d’altération météorique pour les parties proches de la surface.
Deux échelles d’étude sont adoptées : celle de la roche (échantillon
de laboratoire ou affleurement ponctuel) et celle du massif rocheux
qui est aussi celle de l’ouvrage.
1.1 Classification des roches
Une roche est un assemblage de minéraux, c’est-à-dire de cristaux
(sauf quelques rares cas où existe une phase vitreuse). Le mécanicien
des roches insistera sur la présence de défauts dans l’assemblage,
pores ou fissures, qui influent fortement sur les propriétés du
matériau.
Les géologues distinguent trois grandes catégories de roches en
fonction de leur origine :
— les roches magmatiques (ou éruptives) résultent du refroidissement de magmas en fusion ;
— les roches sédimentaires se sont déposées dans les mers ou
les lacs et sont formées par accumulation de particules détritiques
(résultant de la désagrégation des roches par l’érosion) ou biogènes
(formées grâce à l’activité d’organismes) ;
— les roches métamorphiques sont le produit de la transformation à l’état solide d’une roche préexistante, avec modifications
structurales et en général apparition de nouveaux minéraux, sous
l’influence de la pression et de la température.
La très grande variété des espèces minéralogiques et des roches
a conduit les géologues à diverses classifications, faisant appel à
de nombreux termes pétrographiques [1]. Une classification pétrographique simplifiée est présentée dans le tableau 1.
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1.2 Caractères généraux
du massif rocheux
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Un massif rocheux est un milieu complexe (figure 1) :
— discontinu : le massif est composé de blocs plus ou moins
monolithiques, séparés par des discontinuités qui constituent des
sites de faiblesse mécanique et des lieux privilégiés de circulation
d’eau ;
— hétérogène : des hétérogénéités existent à différentes
échelles, comme par exemple : alternance de bancs durs et de
bancs tendres, contacts tectoniques anormaux mettant en présence des formations très différentes, zones de dissolution
karstique ou d’altération locale ;
— anisotrope : l’anisotropie peut apparaître dès la formation de
la roche (disposition stratifiée des roches sédimentaires) ou en
liaison avec le métamorphisme (foliation des gneiss et micaschistes), ou lors de la fracturation subie lors d’un épisode tectonique, etc. ;
— biphasique puisque contenant de l’eau au sein des pores de
la matrice rocheuse ou dans les discontinuités ; cette eau peut
modifier notablement les propriétés de la roche comme celles des
discontinuités, donc aussi le comportement du massif rocheux.
(0)
C 352 − 2
Figure 1 – Front de taille découpé au fil : le massif rocheux,
milieu hétérogène, discontinu et anisotrope
2. Description
et caractérisation
de la matrice rocheuse
La description de la matrice rocheuse fait appel à des identifications et à des essais de laboratoire, dont les principaux sont décrits
ci-après.
2.1 Description pétrographique
La description pétrographique consiste à déterminer la nature des
différents minéraux, leur abondance relative, leur degré d’altération,
leur taille et leur agencement, ainsi que l’existence éventuelle de
pores. La figure 2 présente un exemple de roche observée en lame
mince au microscope optique.
Le tableau 2 présente les caractéristiques de quelques minéraux
courants.
2.2 Essais d’identification
Il s’agit d’essais simples, rapides, couramment pratiqués, et qui
donnent, alliés à la description pétrographique, une image assez
précise du matériau. Le tableau 3 présente quelques valeurs
typiques de propriétés des roches les plus courantes.
2.2.1 Masse volumique réelle r
C’est la masse volumique de la roche sèche, quotient de la
masse de l’échantillon par son volume (enveloppe extérieure,
incluant les pores intérieurs). Elle s’exprime en kg/m3 ou en t/m3.
Il ne faut pas la confondre avec la masse volumique absolue ρa ,
qui est la masse volumique de la matière minérale ( ρ r ρ a ) .
(0)
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_______________________________________________________________________________________ DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
Tableau 1 – Classification pétrographique simplifiée
Famille
Teinte
Minéraux constitutifs
claire
↓
volcaniques
Roches
magmatiques
sombre
claire
↓
plutoniques
sombre
Roches
métamorphiques
↓
Autres termes
quartz
feldspaths
amphiboles
pyroxène
olivine
trachyte, rhyolite
andésite
basalte
dolérite





quartz
feldspaths
amphiboles
pyroxène
granite
diorite
gabbro
microgranite
microdiorite
monzonite
péridotite
quartz
micas
gneiss, micaschiste
leptynite
amphibole
amphibolite
argiles
calcite
pélites
marnes
quartz
grès
carbonates,
sulfates, etc.
calcaires, craie,
dolomies, gypse
claire
foliées
Principaux termes







sombre
non foliées
marbre, cornéenne





sombre
↓
détritiques
Roches
sédimentaires
claire
biogènes et /ou
chimiques
argilites
meulière,
charbon
Tableau 2 – Quelques propriétés des minéraux courants
Masse volumique
Dureté Vickers
(t/m3)
(HV)
Vitesse des ondes
longitudinales
(m/s)
Silicates
Quartz .........................
Feldspaths..................
Mica blanc..................
Mica noir ....................
Amphiboles................
Olivine ........................
2,65
2,55 à 2,75
2,8 à 2,9
2,8 à 3,3
3 à 3,4
3,2 à 3,6
1 250 à 1 400
650 à 800
70 à 85
90
730
820
6 050
5 800 à 6 200
5 800
5 100
7 200
8 400
Autres
Calcite.........................
Dolomite.....................
Gypse .........................
2,71
2,85 à 2,9
2,3 à 2,4
110 à 120
250 à 400
50 à 70
6 650
7 500
5 200
Minéraux
Observations
inaltérable
très anisotrope
très anisotrope
anisotrope
un peu soluble dans l’eau
soluble dans l’eau
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Tableau 3 – Quelques valeurs typiques des caractéristiques des roches les plus courantes (roches saines)
Roche
Granites ...........
Microgranites..
Basaltes ...........
Calcaires..........
Grès .................
Cornéennes .....
Gneiss..............
Amphibolites ..
ρr
n
(%)
v
Rc
(t/m3)
(m/s)
(MPa)
2,6 à 2,7
2,6
2,8 à 3,0
2,6 à 2,7
2,3 à 2,6
1,8 à 2,3
2,5 à 2,6
2,2 à 2,5
2,6 à 2,7
2,6 à 2,7
2,8 à 3,0
1
<1
0à2
0à5
5 à 15
15 à 35
0à5
5 à 20
1
2
1
4 500 à 6 000
4 500 à 6 000
5 500 à 7 000
5 600 à 6 500
4 000 à 5 800
2 000 à 4 300
3 000 à 5 500
2 500 à 5 000
5 000 à 6 500
4 000 à 5 500
5 500 à 6 000
170 à 260
200 à 350
200 à 400
80 à 260
35 à 150
8 à 80
40 à 250
20 à 200
160 à 200
140 à 250
160 à 250
LA
15
10
11
18
25
30
12
25
10
12
8
à 25
à 18
à 17
à 40
à 65
à 100
à 25
à 80
à 16
à 28
à 20
MDE
6
5
5
14
25
40
3
20
5
5
5
à 13
à 10
à 10
à 40
à 60
à 100
à 30
à 100
à 15
à 14
à 22
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A BR
900
1 500
500
10
0
0
600
100
800
1 000
900
à 1 500
à 2 000
à 2 000
à
50
à
20
à 2 200
à 600
à 900
à 1 800
à 1 500
C 352 − 3
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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
_______________________________________________________________________________________
Figure 2 – Photographie de lame mince de basalte au microscope
polarisant. On observe les grands cristaux d’olivine (le plus grand fait environ
1 mm de longueur), les nombreuses paillettes de feldspath et une pâte sombre
amorphe
Figure 3 – Indice de continuité et degré de fissuration
2.3 Propriétés mécaniques
2.2.2 Porosité n
C’est le rapport du volume de l’espace poreux, c’est-à-dire des
vides inclus dans la roche, au volume de l’éprouvette (enveloppe
extérieure) :
ρr
V
n = ------v- = 1 – -----ρ
V
a
Vv volume des vides,
V volume de l’échantillon.
La porosité s’exprime le plus souvent en pour-cent.
avec
2.2.3 Degré de saturation S r
C’est le pourcentage de l’espace poreux qui est occupé par l’eau,
dans l’état considéré. En profondeur, à l’état naturel, le degré de
saturation est de 100 %.
On se reportera au tableau 3 pour des exemples de résultats
d’essais mécaniques.
2.3.1 Résistance en compression
L’essai mécanique le plus courant est l’essai de résistance en
compression uniaxiale (R c ). Celle-ci est mesurée sur éprouvette
cylindrique, de diamètre 40 à 50 mm en général. On fait croître l’effort
axial fourni par la presse, avec une vitesse correspondant à environ
0,5 MPa/s, jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Si F est l’effort maximal
et R le rayon de l’éprouvette, on a :
F
R c = ----------2πR
La résistance en compression simple est une propriété assez
dispersée ; on réalise en général cinq écrasements pour obtenir une
valeur représentative. Le tableau 4 fournit une échelle de résistance
couramment employée.
(0)
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2.2.4 Vitesse du son v et indice de continuité I C
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La vitesse de propagation des ondes longitudinales v est calculée
à partir de la mesure du temps de propagation des ondes à travers
une éprouvette. Cette quantité est sensible à la porosité et surtout
à la microfissuration de la roche : la vitesse du son d’un granite sain
(6 000 m/s environ) chute à moins de 3 000 m/s dans un granite très
altéré. Le calcul de l’indice de continuité IC , rapport de la vitesse
mesurée à la vitesse théorique (moyenne pondérée des vitesses des
minéraux constitutifs), permet ainsi d’appréhender la « qualité » de
la roche [2]. À l’aide de la porosité n, on peut aussi quantifier le degré
de fissuration en calculant l’indice D f (figure 3) :
D f = 100 – 1,5 n – IC
n et IC étant exprimés en pour-cent.
En mesurant la vitesse v dans différentes directions, on peut
aussi apprécier l’anisotropie d’une roche. On définit l’indice d’anisotropie par :
v max
I A = -------------v min
Tableau 4 – Classes de résistance
en compression uniaxiale (d’après [3])
Classe
Résistance R c
(MPa)
Description
R1
> 200
Résistance très élevée
R2
200 à 60
Résistance élevée
R3
60 à 20
Résistance moyenne
R4
20 à 6
Résistance faible
R5
<6
Résistance très faible
Certaines roches, comme les calcaires tendres, sont sensiblement
moins résistantes à l’état saturé qu’à l’état sec : la perte de résistance
peut atteindre 50 %.
qui vaut 1 pour une roche isotrope et atteint environ 2 dans certaines
ardoises.
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_______________________________________________________________________________________ DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
2.3.2 Résistance à la traction
La résistance à la traction directe est obtenue par traction
jusqu’à la rupture d’une éprouvette cylindrique dont les extrémités
ont été collées sur des têtes métalliques. En moyenne, elle est voisine
de R c /10.
L’essai de résistance à la traction indirecte, dit aussi essai
brésilien, est réalisé en comprimant entre les plateaux de la presse
une éprouvette cylindrique le long de deux génératrices opposées
(figure 4) : la rupture est obtenue par traction au centre de l’éprouvette. On évite ainsi les difficultés de collage des têtes et la dispersion
des valeurs est moins grande que dans l’essai direct. Si P est l’effort
fourni par la presse au moment de la rupture, R le rayon de l’éprouvette et H sa hauteur, la résistance à la traction indirecte est donnée
par :
P
R tb = -------------πRH
L’essai Franklin est un essai de rupture par traction sous charge
ponctuelle, simple à réaliser mais assez dispersé [3].
Figure 4 – Essai de traction indirecte (brésilien)
2.3.3 Paramètres de déformabilité
La mesure des déformations lors d’une compression uniaxiale
permet de déterminer les paramètres élastiques de déformabilité de
la roche (figure 5) : module d’Young (pente de la courbe de déformation longitudinale) et coefficient de Poisson (rapport de la déformation transversale à la déformation longitudinale). Le module
d’Young est typiquement compris entre 8 et 80 GPa. Le coefficient
de Poisson se situe entre 0,1 et 0,4.
2.4 Propriétés diverses
Des essais, en général de nature empirique, permettent de quantifier certaines propriétés des matériaux rocheux utilisés en génie
civil. Le tableau 3 présente des valeurs de résultats d’essais.
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2.4.1 Essai Los Angeles
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Figure 5 – Essai de compression uniaxiale sur un gneiss :
déformation longitudinale ( 1 ⁄ 1 ) , transversale ( 3 ⁄ 3 )
et volumique ( V / V )
Cet essai a pour but d’évaluer la résistance à la fragmentation par
chocs. Les gravillons testés sont en général de granularité 6-10, 10-14
ou 25-50 mm. Un broyeur cylindrique à boulets (figure 6) fragmente
les gravillons, pendant 500 ou 1 000 révolutions suivant la granularité, puis on tamise à 1,6 mm. Le coefficient Los Angeles est défini
par :
m
L A = 100 ------M
avec m (g) masse du passant au tamis de 1,6 mm,
M (g) masse initiale de granulats.
2.4.2 Essais Deval et micro-Deval
La production de fines par frottement des granulats entre eux ou
au contact d’outils métalliques est liée aux propriétés d’usure ou
d’attrition de la roche. On distingue en général l’essai à sec et l’essai
en présence d’eau, ce qui permet de mettre en évidence les roches
sensibles à l’eau.
L’essai Deval porte sur 7 kg de granulats 25-50 mm. Il est
aujourd’hui souvent remplacé par l’essai micro-Deval décrit sommairement ci-après.
Figure 6 – Machine Los Angeles
(le diamètre du tambour est d’environ 71 cm)
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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
_______________________________________________________________________________________
Le principe est analogue à celui de l’essai Los Angeles, avec une
charge plus légère (billes) et une durée de rotation plus longue : il
n’y a pas de fragmentation, mais seulement une usure. Le coefficient
M DE (essai micro-Deval effectué en présence d’eau) est défini par :
m
M DE = 100 ------M
avec m (g) masse du passant au tamis de 1,6 mm,
M (g) masse initiale de granulats.
2.4.3 Abrasivité
L’abrasivité caractérise la capacité d’une roche à provoquer l’usure
d’un outil tel que pièce de concasseur, taillant de forage (tableau 5),
molette ou pic de machine foreuse ; cette propriété est importante
pour les travaux d’exploitation des matériaux rocheux, en souterrain
comme à ciel ouvert. Elle dépend à la fois de la teneur en minéraux
durs (quartz notamment) et de la résistance de l’assemblage des
grains (cohésion de la roche).
(0)
Tableau 5 – Durée de vie (mesurée en métrage foré)
d’un taillant de forage, pour des roches
peu abrasives et abrasives
Longueur forée (m)
Taillant de forage
Roche abrasive
Roche peu
abrasive
Taillant fileté à picots
64 mm ou taillant fond
de trou à picots........................
400 à 1 000
1 200 à 2 500
Taillant fileté à plaquettes ......
200 à
400
800 à 1 000
Fleuret monobloc ....................
150 à
200
600 à
800
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Pour estimer l’abrasivité d’un matériau, on peut utiliser l’abrasimètre LCPC, constitué d’un pot métallique que l’on remplit de
granulats 4/6,3 mm, et dans lequel tourne à grande vitesse une
palette métallique (figure 7). La perte de poids subie par la palette
après 5 min de rotation, exprimée en mg d’acier, est divisée par la
masse en kg de granulats traités : on obtient ainsi l’indice A BR de
la roche. On estime en général que des valeurs supérieures à 1 500
peuvent conduire à de fortes usures d’outils.
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Figure 7 – Abrasimètre LCPC : palette métallique (après essai)
et pot de granulats
Divers essais existent pour quantifier l’altérabilité d’une roche ;
aucun cependant ne s’est véritablement imposé.
En France, pour la réutilisation en terrassement des matériaux
rocheux, a été défini un coefficient de dégradabilité, fondé sur
l’évolution granulométrique de granulats après des cycles
d’immersion-séchage conventionnels : l’essai met bien en évidence le caractère évolutif des roches marneuses ou schisteuses.
3. Description et propriétés
des discontinuités
Les discontinuités ont différentes origines géologiques : joints
sédimentaires, foliations, diaclases, failles, schistosité. Les premiers
sont liés à des interruptions de sédimentation (minces lits argileux
entre deux bancs, par exemple) ; la foliation est due à la disposition
en lits de minéraux micacés dans les roches métamorphiques ; les
autres discontinuités correspondent à des ruptures mécaniques.
3.1 Description d’une discontinuité
2.4.4 Forabilité
La forabilité d’une roche exprime la facilité avec laquelle un outil
de forage pénètre dans la roche. Elle dépend d’un certain nombre
de paramètres, en particulier de la résistance, dureté et texture de
la matrice rocheuse, et de son abrasivité.
Certains essais, généralement utilisés dans les pays anglo-saxons,
ont pour but de quantifier la forabilité. Il ne faut pas perdre de vue
toutefois que la forabilité in situ dépend aussi de la densité de
discontinuités.
Une discontinuité est, au moins localement, assimilable à une portion de plan. Il faut d’abord noter ses caractéristiques géométriques :
orientation, extension spatiale dans son plan, existence ou non de
ponts rocheux. Ces deux dernières caractéristiques ne sont en
général accessibles qu’indirectement, d’après la trace de la discontinuité visible à l’affleurement ou sur un talus.
Les différentes conventions de mesure de l’orientation d’un plan
reviennent toutes à la mesure d’un azimut et d’un pendage (figure 8),
effectuée sur le terrain à la boussole. On utilise soit la direction (angle
2.4.5 Altérabilité
α) et le pendage (β ), soit le vecteur-pendage P caractérisé par son
azimut (à 90o de l’angle α) et son pendage β.
On appelle altérabilité la sensibilité d’une roche aux modifications
du milieu environnant. La sensibilité au gel peut être évaluée par
mesure de l’évolution de la résistance à la fragmentation (Los
Angeles) d’un matériau soumis à des cycles de gel-dégel. L’altération
physico-chimique traduit la capacité de gonflement, de délitage ou
de dissolution d’une roche.
La description de la discontinuité comporte également des indications sur le remplissage (continu, argileux, humide, par exemple)
et sur les épontes (c’est-à-dire les parois) avec leur degré d’altération,
la hauteur et la longueur d’onde des aspérités, leur degré d’imbrication, etc. Toutes ces caractéristiques ont une grande influence sur
les propriétés mécaniques et hydrauliques de la discontinuité.
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Figure 8 – Définition de la direction , du pendage et du vecteur-pendage P d’un plan
3.2 Étude structurale
La représentation sur un plan de l’orientation des discontinuités
du site constitue une phase essentielle de la description des massifs
rocheux. Elle s’effectue à l’aide de la projection stéréographique qui
a l’avantage de conserver les angles (figure 9) : les éléments structuraux tels que la droite D et le plan P, supposés passer par le centre
O de la sphère, coupent l’hémisphère supérieur respectivement
suivant un point ou un arc de grand cercle, que l’on projette sur le
plan horizontal de projection (le point d est donc la projection de
la droite D). Un plan est donc représenté par un arc de cercle (représentation cyclographique), mais on peut aussi tracer son pôle qui
est la projection de la direction de droite normale au plan (représentation polaire) : figure 10. Le report des relevés de terrain peut
être fait manuellement, à l’aide du canevas de Wulff gradué de 2
en 2 degrés, ou automatiquement avec des logiciels appropriés.
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Les discontinuités repérées sur le terrain sont souvent regroupées
en familles ; on définit pour chacune une direction de plan moyenne.
Pour l’étude statistique des directions, on utilise la représentation
polaire des plans, dans une projection qui conserve les aires
(figure 11a ). Sur la figure 11b, on a représenté par projection
stéréographique les plans moyens des trois familles majeures identifiées sur la figure 11a, ainsi que le plan d’un talus (direction N-S) :
l’analyse des intersections de ces plans entre eux permet de mettre
en évidence la possibilité d’instabilité d’un dièdre limité par les
plans 1 et 3.
L’estimation de l’espacement moyen et de la dimension
moyenne des discontinuités d’une famille contribue à l’appréciation de la densité de discontinuités. Celle-ci est aussi estimée de
façon globale, toutes familles confondues, par l’évaluation de
l’intervalle de discontinuités mesuré selon une ligne (cf. § 4.3).
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3.3 Propriétés mécaniques
Figure 9 – Principe de la projection stéréographique,
à partir du pôle inférieur Figure 10 – Projection stéréographique d’un plan :
représentation polaire et cyclographique
frottement. Un angle de frottement résiduel, après grand déplacement, peut aussi être défini ; il est le plus souvent compris entre 25
et 35o (discontinuité sans remplissage). Par ailleurs, le cisaillement
s’accompagne d’une ouverture de la discontinuité, appelée dilatance (figure 13), du fait des aspérités des épontes.
3.3.1 Action normale
3.4 L’eau dans le massif
Sous un effort de compression, une discontinuité a tendance à
se refermer ; on observe que sa raideur (donnée par la pente de la
courbe) augmente avec la contrainte (figure 12). Un déchargement
laisse apparaître en général un déplacement résiduel.
La résistance en traction d’une discontinuité doit en général être
considérée comme quasi nulle.
La perméabilité des roches étant en général très faible, les circulations d’eau dans le massif se font en majeure partie par les
discontinuités : c’est ce qu’on appelle la perméabilité « en grand »
des massifs rocheux, opposée à la perméabilité « en petit » des sols.
Si le régime de l’écoulement dans la discontinuité est laminaire, on
peut admettre que la vitesse d’écoulement v est donnée par :
v=ki
3.3.2 Action tangentielle
Le cisaillement d’une discontinuité sous contrainte normale
constante, tel que pratiqué dans une boîte de cisaillement, permet
de définir les caractéristiques de résistance de pic : cohésion et
où i est le gradient hydraulique. Le coefficient k est appelé conductivité hydraulique de la discontinuité et s’exprime en m/s.
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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
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Figure 12 – Comportement d’une discontinuité sous contrainte normale
Figure 13 – Essai de cisaillement d’une discontinuité
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4. Méthodes
de reconnaissance
des massifs rocheux
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La reconnaissance des massifs rocheux a pour but d’identifier les
matériaux présents, d’en prélever des échantillons pour étude en
laboratoire, et de repérer les variations et anomalies locales telles
que zones broyées, karsts, etc. Il est particulièrement important de
connaître, soit par observation directe lorsque cela est possible, soit
par des procédés d’auscultation indirecte, la répartition des discontinuités dans l’espace, leurs caractéristiques et leur densité. Enfin,
l’étude de terrain peut être complétée par des essais in situ
permettant d’évaluer certaines propriétés mécaniques ou hydrauliques du massif.
Figure 11 – Exemple de relevé structural : représentation polaire
des plans repérés avec identification de trois familles principales (a )
et représentation cyclographique des plans moyens des trois familles
ainsi que du plan d’un talus (b )
4.1 Levé géologique de détail
Un levé géologique est effectué à une échelle comprise entre
1/1 000 et 1/100, afin de localiser les principaux affleurements et les
observations qui s’y rapportent.
L’observation directe d’un affleurement rocheux montre généralement une matrice rocheuse affectée de discontinuités organisées
en familles. Le relevé de ces discontinuités peut être intégral (par
exemple en galerie, sur un plan de la voûte et des piedroits rabattus)
ou échantillonné selon une ou plusieurs lignes droites. On estime
qu’il faut effectuer 200 à 300 mesures de pendage pour une étude
structurale de difficulté moyenne.
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Le géologue structural doit éviter certains pièges tels que ceux-ci :
— dans l’observation d’une paroi de falaise, la représentation des
discontinuités de direction parallèle à cette paroi est très réduite et
l’échantillonnage est donc biaisé ;
— dans un versant, le fauchage des terrains peut modifier leur
pendage sur des épaisseurs dépassant parfois la dizaine de mètres.
Le recours à la tranchée d’essai, outre le fait de créer un nouveau
point d’observation, peut apporter des précisions sur certains éléments : possibilité d’extraction, possibilité de fragmentation au tir,
vibrations transmises lors des tirs, coefficient de foisonnement,
stabilité des talus, etc.
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4.2 Photo-interprétation
L’étude d’un site rocheux devrait toujours inclure l’observation des
photographies aériennes qui permettent de s’éloigner et de prendre
du recul par rapport à l’affleurement. L’examen stéréoscopique des
photographies aériennes, avec différents types d’émulsion, à différentes dates et à différentes échelles, peut ainsi fournir des éléments
précis sur les directions générales de fracturation, sur la présence
de zones faillées ou altérées, de venues d’eau, d’anciens karsts, etc.
(figure 14).
Figure 14 – Exemple de photo-interprétation
(document communiqué par P. Pothérat) :
recherche de dissolutions du gypse
pouvant entraîner des effondrements
dans la région de Bargemon (Var)
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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
_______________________________________________________________________________________
4.3 Sondages carottés
La réalisation de sondages carottés reste la méthode la plus classique, en l’absence d’affleurements significatifs, pour obtenir des
informations sur le matériau rocheux, son état d’altération, ses hétérogénéités, etc. Il s’agit toujours d’une opération longue, délicate et
coûteuse. On a donc intérêt à valoriser au maximum les renseignements fournis par cette investigation. L’implantation et l’orientation
d’un sondage carotté doivent tenir compte des investigations antérieures et des observations de surface. Dans le cas de structure très
redressée ou verticale, le sondage sera incliné de manière à recouper
le maximum de discontinuités.
Après réalisation du sondage, les caisses de carottes sont répertoriées, numérotées et photographiées (figure 15). Des échantillons
sont ensuite soumis aux essais décrits au paragraphe 2.
La densité de fracturation du massif peut être évaluée à partir
de nombreux paramètres, parmi lesquels on peut citer :
— le RQD (Rock Quality Designation ), paramètre de qualité de la
roche, qui est défini comme suit :
Figure 15 – Sondage carotté : photographie de caisse de carottes
Σ (longueurs de carottes > 10 cm )
RQD = --------------------------------------------------------------------------------------------------- × 100
longueur de sondage considéré
Les éléments de longueur inférieure à 10 cm ne sont pas pris en
compte car considérés comme liés aux discontinuités elles-mêmes ;
— l’intervalle entre discontinuités ID qui est la distance moyenne
séparant deux discontinuités successives le long d’une ligne de
mesure (tableau 6) ; dans un sondage carotté, c’est la longueur
moyenne des carottes : plusieurs valeurs peuvent être fournies,
relatives à différentes profondeurs du sondage.
(0)
Tableau 6 – Classes de densité de discontinuités
mesurée selon une ligne, d’après l’intervalle
entre discontinuités I D [3]
Classe
ID 1
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Description
> 200
Densité très faible
ID 2
200 à 60
Densité faible
ID 3
60 à 20
Densité moyenne
ID 4
20 à 6
ID 5
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Intervalle
(cm)
<6
Densité forte
Densité très forte
L’information la plus complète est donnée par l’histogramme des
longueurs de carottes (figure 16).
Si nécessaire, on peut faire orienter les carottes lors du prélèvement, ce qui permet d’estimer non seulement le pendage mais aussi
la direction des discontinuités ; on peut citer les techniques suivantes : prise d’empreinte de la paroi du forage par application d’un
film déformable [4], auscultation des parois du forage par caméra
vidéo ou par méthodes électromagnétiques ou acoustiques [5],
coulage de plâtre au fond du forage et orientation avant chaque
passe, etc.
4.4 Enregistrement des paramètres
de foration
Les forages destructifs, moins coûteux et plus rapides que les
sondages carottés, peuvent être valorisés par l’enregistrement des
paramètres de foration. La plupart des foreuses peuvent être
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Figure 16 – Histogrammes de longueurs de carottes dans deux
sondages d’orientations différentes, comparés à un histogramme
des intervalles entre discontinuités mesurés sur affleurement
équipées d’enregistreurs permettant d’analyser la vitesse d’avancement instantanée, le couple de rotation, la poussée sur l’outil, la
pression du fluide de perforation, la vitesse de rotation, etc.
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Le choix des paramètres enregistrés dépend du problème à
étudier. La méthode est bien adaptée à la reconnaissance de l’altération et des hétérogénéités des massifs rocheux telles que failles,
discontinuités ouvertes, cavités karstiques [6].
4.5 Diagraphie microsismique
Le lecteur pourra se reporter à la référence [7]
Elle consiste à mesurer, à l’aide d’une sonde plaquée sur la paroi
d’un forage, le temps de trajet d’une onde mécanique sur un
parcours de longueur fixe. La sonde (figure 17) comporte un émetteur, constitué d’un petit marteau pneumatique, et un ou deux
récepteur(s) ; elle est déplacée à l’intérieur du forage selon un pas
régulier (33 ou 50 cm en général).
La méthode peut être mise en œuvre dans les forages destructifs
ou carottés, verticaux ou inclinés, avec ou sans eau. Elle permet
notamment de repérer le rocher compact, les hétérogénéités, les
zones fissurées ou décomprimées, etc. (figure 18).
4.6 Diagraphie de radioactivité naturelle
Le lecteur pourra se reporter à la référence [7]
Une sonde descendue dans un forage est sensible à la présence,
en quantités infimes, d’éléments radioactifs. La méthode est bien
adaptée à la reconnaissance des terrains sédimentaires où les
niveaux argileux constituent d’excellents repères.
Figure 17 – Principe de la diagraphie microsismique
4.7 Méthodes géophysiques
Différentes méthodes géophysiques, de type sismique, gravimétrique ou électromagnétique, peuvent être utilisées pour l’étude des
massifs rocheux [7]. Elles doivent faire l’objet d’un étalonnage sur
le site, par exemple avec un sondage carotté.
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4.7.1 Sismique-réfraction
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Les ondes sismiques émises en surface se propagent dans le sol
à des vitesses qui vont de moins de 1 000 m/s pour les terrains
complètement altérés à près de 6 000 m/s pour certains massifs
compacts. L’appareillage comprend un émetteur (marteau ou charge
explosive), un récepteur constitué par un ou plusieurs géophones
distants de quelques mètres ou décamètres de l’émetteur et un
amplificateur permettant soit l’enregistrement du signal, soit l’arrêt
d’un chronomètre électronique. La méthode permet de définir
différentes couches caractérisées par leur vitesse de propagation qui
dépend de l’état de compacité, de fracturation et d’altération du
matériau ; elle est classiquement utilisée pour prévoir les modes de
terrassement des déblais rocheux.
4.7.2 Tomographie sismique
Le lecteur pourra se reporter à la référence [8]
La méthode permet de réaliser une coupe du massif entre deux
forages, fournissant la répartition des vitesses sismiques dans le plan
de coupe. Plusieurs capteurs sont disposés dans un forage, et l’émetteur est déplacé dans l’autre forage : la surface auscultée est ainsi
parcourue par un grand nombre de rais sismiques dont on mesure
le temps de propagation, et la résolution du problème inverse permet
d’obtenir une image du panneau en vitesse (figure 19).
Figure 18 – Exemple de diagraphie microsismique
dans un massif granitique
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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX
_______________________________________________________________________________________
On peut citer les essais de chargement à la plaque, réalisés en surface
ou en galerie, et les essais au dilatomètre en forage [9].
4.8.2 Mesures de contraintes
L’état de contrainte naturel du massif conditionne le dimensionnement des ouvrages souterrains ; pour les ouvrages de surface, cet
état n’est pas sans influence, puisque les fractures perpendiculaires
à la direction de compression majeure sont en général fermées, alors
que celles qui lui sont parallèles sont plutôt ouvertes, ce qui engendre
une anisotropie mécanique et hydraulique du massif. Les principales
techniques de mesure utilisées en génie civil sont celle du vérin plat
et du surcarottage [10].
4.9 Essai Lugeon
Figure 19 – Principe de la tomographie sismique entre forages
La méthode est bien adaptée au repérage des vides, karsts ou carrières souterraines, à l’étude de la fissuration et de son évolution
(analyse des phénomènes de décompression liés aux terrassements,
par exemple) ou au contrôle d’injections.
4.7.3 Radar géologique
5. Conclusions
La profondeur de pénétration variant en sens inverse de la
conductivité électrique de terrain, le radar est bien adapté à
l’auscultation de terrains de forte résistivité, donc hors nappe et
peu argileux, massifs calcaires par exemple : recherche d’hétérogénéités, de failles, etc.
4.8 Essais mécaniques in situ
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4.8.1 Mesures de déformabilité
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Les essais de déformabilité in situ permettent d’ausculter un
volume de terrain plus important que les essais de laboratoire, mais
ce volume (quelques mètres cubes au maximum) reste limité par
rapport à celui concerné par l’ouvrage : ces essais ne mettent pas
complètement à l’abri d’un effet d’échelle lié aux discontinuités [2].
C 352 − 12
L’essai Lugeon donne une indication sur l’état de fracturation d’un
massif rocheux et permet d’évaluer un ordre de grandeur de sa
perméabilité. Il est souvent pratiqué pour prévoir des quantités
d’injection. L’essai consiste à injecter de l’eau dans un forage sous
charge constante et à mesurer le débit, l’opération étant répétée à
divers paliers de charge. L’unité Lugeon correspond à un débit de
1 L/min injecté sous une charge de 1 MPa ; l’unité Lugeon peut être
corrélée avec la perméabilité du massif. Si la courbe charge-débit
est linéaire, on peut également estimer l’état de fracturation (ouverture moyenne des fractures).
On peut signaler, pour clore cet article consacré à la description
des massifs rocheux, que plusieurs classifications de ces massifs ont
été mises au point : la plus répandue, en particulier dans le monde
anglo-saxon, est la classification RMR ( Rock Mass Rating ), qui
attribue à un massif rocheux une « note » comprise entre 0 et 100,
à partir de cinq composantes : résistance en compression simple de
la roche, valeur du RQD, espacement moyen des discontinuités dans
la famille principale, état des discontinuités (rugosité, ouverture,
remplissage) et conditions hydrauliques [11]. Si ces méthodes
peuvent permettre d’élaborer une première ébauche de solution
technique (fondation, méthode d’abattage, soutènement de tunnel,
etc.), elles ne dispensent pas toutefois l’ingénieur d’une analyse
approfondie du problème ; en particulier, les discontinuités
majeures, qui peuvent constituer des sources d’instabilité, sont mal
prises en compte dans ces classifications à caractère global.
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Description des roches
et des massifs rocheux
E
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Jean-Louis DURVILLE
par
Ingénieur en Chef des Ponts et Chaussées
Chef de la Division Mécanique des Sols
et Géologie de l’Ingénieur au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
Hubert HÉRAUD
et
Ingénieur Géologue
Chef du Groupe Sols-Roches au Centre d’Études Techniques de l’Équipement,
Laboratoire Régional de Clermont-Ferrand.
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Références
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On consultera également
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Projet de méthode d’essai no 33 : Roches et granulats. Essai de résistance en compression
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Mécanique des Roches, et publiées par la revue :
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Normalisation
Association Française de Normalisation (AFNOR)
P 18-556
9.90
P 18-572
12.90
Granulats. Détermination de l’indice de continuité.
Granulats. Essai d’usure micro-Deval.
P 18-573
12.90
Granulats. Essai Los Angeles
P 18-579
12.90
Granulats. Essai d’abrasivité et de broyabilité.
P 18-593
12.90
Granulats. Sensibilité au gel.
NF P 94-067
12.92
Sols : reconnaissance et essais. Coefficient de dégradabilité des matériaux rocheux.
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Description des roches
et des massifs rocheux
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